JP3191823B2 - Semiconductor light receiving device - Google Patents
Semiconductor light receiving deviceInfo
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、光通信システムの受信
装置等に用いられる半導体受光装置に関するものであ
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor light receiving device used for a receiving device of an optical communication system.
【０００２】[0002]
【従来の技術】光ファイバーを用いる光通信のための半
導体受光装置は、たとえば図４のようにフォトダイオー
ドッチップ１がヘッダー２上にマウントされ、リード３
を通じて外部に光電流を取り出すことにより光信号を電
気信号に変換している。キャップ４は透光性の窓５を有
しており、フォトダイオードチップ１を気密シールする
ために用いられる。ここで、ハウジング８にフェルール
７を介して挿通された光ファイバー６からの出射光を、
効率よくフォトダイオードチップ１に照射するために、
集光レンズ９が用いられている。図４のような形状をコ
アキシャルタイプと呼ぶ。2. Description of the Related Art In a semiconductor light receiving device for optical communication using an optical fiber, a photodiode chip 1 is mounted on a header 2 as shown in FIG.
The optical signal is converted to an electrical signal by extracting a photocurrent to the outside through the optical signal. The cap 4 has a translucent window 5 and is used to hermetically seal the photodiode chip 1. Here, the light emitted from the optical fiber 6 inserted into the housing 8 via the ferrule 7 is
In order to irradiate the photodiode chip 1 efficiently,
A condenser lens 9 is used. The shape as shown in FIG. 4 is called a coaxial type.
【０００３】図５の装置は、バタフライタイプと呼ばれ
るもので、ハウジング８が矩形となっている。基本的に
は、図３と機能は同じであるが、ハウジング８の中にＩ
Ｃ（集積回路）チップなどを配置し、フォトダイオード
チップ１からの光電流信号をある程度増幅してから、外
部に取り出すような使い方もできる。The apparatus shown in FIG. 5 is of a so-called butterfly type, in which a housing 8 has a rectangular shape. Basically, the function is the same as that of FIG.
It is also possible to arrange a C (integrated circuit) chip or the like, amplify the photocurrent signal from the photodiode chip 1 to some extent, and then take it out.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】従来のこの種の装置
は、光ファイバーとしてシングルモードファイバーまた
はマルチモードファイバーを用いている。そのコア径は
たとえば波長１．３μｍ帯の光では、シングルモードフ
ァイバーで約１０μｍ、マルチモードファイバーで約５
０μｍである。光ファイバーの端面から出射される光
は、その光ファイバーのコアとクラッドの屈折率差に応
じた角度で空間に広がっていく。従って、この広がって
いく光を効率良くフォトダイオードの受光面に集光する
ために、集光用のレンズ９を用いる。特に、高速用の１
００μｍ以下の小さな受光径のフォトダイオードチップ
を用いるときは、より集光特性の良い非球面レンズもし
くは、セルフォックレンズを用いることがよく行われ、
高価な部品を使わざるを得ないという状況にある。A conventional device of this type uses a single mode fiber or a multimode fiber as an optical fiber. The core diameter is, for example, about 10 μm for a single mode fiber for light in the 1.3 μm band and about 5 μm for a multimode fiber.
0 μm. The light emitted from the end face of the optical fiber spreads in space at an angle corresponding to the refractive index difference between the core and the clad of the optical fiber. Therefore, in order to efficiently condense the spreading light on the light receiving surface of the photodiode, a condensing lens 9 is used. In particular, one for high speed
When using a photodiode chip having a small light receiving diameter of 00 μm or less, it is common to use an aspheric lens or a selfoc lens having better light-collecting characteristics.
There is a situation where expensive parts must be used.
【０００５】また、たとえこれらのレンズを用いたとし
ても、光ファイバーとの調芯には非常に高い精度を要求
される。特に図４に示すＢ部分の固定時には、感度のば
らつきを±０．５ｄＢ以内に収めるには、±１５μｍ程
度の位置精度を必要とする。この種の部品の固定には、
ＹＡＧレーザによるスポット溶接が最もよく用いられる
が、それでも位置ずれが生じ、歩留りは７０〜８０％と
低い。また、１回の調芯に２０〜３０分の長時間を要し
ている。[0005] Even if these lenses are used, alignment with an optical fiber requires very high accuracy. In particular, when the portion B shown in FIG. 4 is fixed, a positional accuracy of about ± 15 μm is required to keep the variation in sensitivity within ± 0.5 dB. For fixing this kind of parts,
Although spot welding with a YAG laser is most often used, misalignment still occurs, and the yield is as low as 70 to 80%. In addition, one alignment takes a long time of 20 to 30 minutes.
【０００６】特に問題となるは、集光された光ビームが
フォトダイオードチップのｐｎ接合の受光領域外に当た
った場合である。図６にその様子を示す。ファトダイオ
ードチップ１については、半導体基板１１上にエピタキ
シャル成長層１２が形成され、金属元素の拡散によって
層１２とは逆の極性の拡散領域１３が形成される。層１
２と領域１３との境界部分がｐｎ接合といわれ、この部
分に照射された光が主に光電流に寄与する。光電流は電
極１４、１５を通じて、外部に信号として取り出され
る。A particular problem arises when the converged light beam hits outside the light receiving area of the pn junction of the photodiode chip. FIG. 6 shows this state. In the photodiode chip 1, an epitaxial growth layer 12 is formed on a semiconductor substrate 11, and a diffusion region 13 having a polarity opposite to that of the layer 12 is formed by diffusion of a metal element. Tier 1
The boundary between the region 2 and the region 13 is called a pn junction, and the light applied to this portion mainly contributes to the photocurrent. The photocurrent is extracted as a signal to the outside through the electrodes 14 and 15.
【０００７】ここで、符号１６は光ファバー６のコア６
´より放射された光ビームの広がりを示すものである。
このビームのうち領域１３およびそのごく近傍（たとえ
ば３〜５μｍ）で吸収された光は、キャリア（電子およ
びホール）となってｐｎ接合に印加された電界によって
高速に、かつ効率よく分離されて光電流に寄与するが、
それより外側では、電界が印加されていないので吸収さ
れた光は、非常に応答速度の遅い光電流を発生してしま
う。そうすると、アナログ信号光の再生においては、位
相のずれた信号となり歪みレベルが高くなってしまい、
再生画像にノイズが入る問題があり、デジタル信号光の
再生においては、パルス波形の歪みが出て（特に矩形パ
ルスの立ち下がり部分がμｓｅｃの尾をひく）、高速に
通信ができないという問題が生じる。このような弊害が
ないよう、高級、高価な光学系で光ファイバーからの光
をフォトダイオードチップに集光しているのが現状であ
る。Here, reference numeral 16 denotes a core 6 of the optical fiber 6.
′ Indicates the spread of the light beam emitted from ′.
Of this beam, the light absorbed in the region 13 and in the immediate vicinity thereof (for example, 3 to 5 μm) becomes carriers (electrons and holes) and is separated at high speed and efficiently by the electric field applied to the pn junction. Contributes to the current,
Outside of this, the absorbed light generates a photocurrent with a very slow response speed because no electric field is applied. Then, when reproducing the analog signal light, the signal becomes out of phase and the distortion level becomes high,
There is a problem that noise is included in a reproduced image, and in reproduction of digital signal light, a pulse waveform is distorted (particularly, a falling portion of a rectangular pulse has a trailing edge of μsec), and a problem that high-speed communication cannot be performed occurs. . At present, light from an optical fiber is condensed on a photodiode chip by a high-grade, expensive optical system so as not to have such an adverse effect.
【０００８】半導体受光装置は光通信に必須のものであ
るにもかかわらず、このような困難性を有し、特に集光
用の非球面レンズやセルフォックレンズが高価であるこ
とが、光通信システムの急速な普及を阻害している。本
発明は、かかる問題点を解決することを課題としてい
る。Although the semiconductor light receiving device is indispensable for optical communication, it has such difficulties. In particular, the expensive aspherical lens and selfoc lens for condensing light are required for optical communication. It has hindered the rapid spread of the system. An object of the present invention is to solve such a problem.
【０００９】[0009]
【課題を解決するための手段】本発明は、フォトダイオ
ードチップがマウントされたヘッダーに、光ファイバー
が挿通されたハウジングが固定されることにより一体構
造とされ、フォトダイオードチップの受光面が光ファイ
バーの光出射端面と対向するように配置された半導体受
光装置において、フォトダイオードチップは光電流を検
出信号として出力するためのｐｎ接合領域を受光面に有
すると共に、ｐｎ接合領域の周囲で生成されるキャリア
を捕獲する領域を有し、光ファイバーの出射光は球面レ
ンズを介して受光面に入射されていることを特徴とす
る。According to the present invention, there is provided an integrated structure in which a housing in which an optical fiber is inserted is fixed to a header on which a photodiode chip is mounted, and a light receiving surface of the photodiode chip has a light receiving surface of the optical fiber. In a semiconductor light receiving device arranged so as to face an emission end face, a photodiode chip has a pn junction region for outputting a photocurrent as a detection signal on a light receiving surface, and a carrier generated around the pn junction region. It has a capturing region, and the light emitted from the optical fiber is incident on the light receiving surface via a spherical lens.
【００１０】[0010]
【作用】本発明の構造によれば、フォトダイオードチッ
プには無効とすべきキャリアの捕獲構造が設けられてい
るため、安価な球面レンズを介在させて光ファイバから
の信号光をフォトダイオードチップに入射しても、信号
の歪みなどを生じることがない。According to the structure of the present invention, since the photodiode chip is provided with a carrier trapping structure to be made invalid, the signal light from the optical fiber is transmitted to the photodiode chip through an inexpensive spherical lens. Even if it is incident, no signal distortion or the like occurs.
【００１１】[0011]
【実施例】以下、添付図面の図１，図２および図３を参
照して本発明の一実施例を説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1, 2 and 3 of the accompanying drawings.
【００１２】図１は第１実施例の要部を破砕断面にて示
した半導体受光装置の側面図であり、図２は要部の拡大
図である。図示のように、従来と異なる点は、フォトダ
イオードチップ１として、受光領域であるｐｎ接合の外
部に入射した光によって発生した光電流を無効にする構
造を有するタイプ（電荷捕獲型フォトダイオードチップ
と呼ぶ）を用い、かつ、レンズ光学系として安価な球面
レンズを介在させることにより、このフォトダイオード
チップ１に光ファイバー６からの光を入射するようにし
たことである。FIG. 1 is a side view of a semiconductor light receiving device showing a main part of the first embodiment in a crushed section, and FIG. 2 is an enlarged view of the main part. As shown in the drawing, the difference from the conventional one is that the photodiode chip 1 has a structure in which a photocurrent generated by light incident on the outside of a pn junction which is a light receiving region is invalidated (the charge trapping photodiode chip and the photodiode chip 1). The light from the optical fiber 6 is incident on the photodiode chip 1 by using an inexpensive spherical lens as a lens optical system.
【００１３】図１のように、ヘッダー２にはフォトダイ
オードチップ１がマウントされ、これにハウジング８が
一体化されている。そして、ハウジング８にはフェルー
ル７によって光ファイバー６が挿通され、光ファイバー
６の光出射端面とフォトダイオードチップ１の受光面
が、球面光学レンズを介して対向している。As shown in FIG. 1, a photodiode chip 1 is mounted on a header 2, and a housing 8 is integrated with the photodiode chip. The optical fiber 6 is inserted into the housing 8 by the ferrule 7, and the light emitting end face of the optical fiber 6 and the light receiving surface of the photodiode chip 1 face each other via a spherical optical lens.
【００１４】このような、本発明の実施例に係る半導体
受光装置に用いることの出来るフォトダイオードチップ
１として、受光領域であるｐｎ接合の外部に入射した光
によって発生した光電流を無効にする構造を有する電荷
捕獲型フォトダイオードチップを用いる事ができ、図２
にその一例を示す。この構造では、エピタキシャル層１
２に領域１３と同じ極性を持った領域１７を金属元素の
熱拡散によって形成する。領域１７で発生した光キャリ
アーは領域１３の方には流れず、エピタキシャル層１２
と領域１７との間にあるｐｎ接合付近または、そのチッ
プ端面に露出したｐｎ接合部で消滅してしまう。具体的
には、本出願人による特願平２−２３０２０６号にその
構成と動作の詳細が示されている。As a photodiode chip 1 that can be used in the semiconductor light receiving device according to the embodiment of the present invention, a structure for disabling a photocurrent generated by light incident outside a pn junction which is a light receiving region. 2 can be used.
An example is shown below. In this structure, the epitaxial layer 1
2, a region 17 having the same polarity as the region 13 is formed by thermal diffusion of a metal element. The photocarriers generated in the region 17 do not flow to the region 13 and the epitaxial layer 12
Disappears in the vicinity of the pn junction between the substrate and the region 17 or at the pn junction exposed at the end face of the chip. Specifically, the details of the configuration and operation are shown in Japanese Patent Application No. 2-230206 filed by the present applicant.
【００１５】このような改良されたフォトダイオードチ
ップを用いると、光ビームが球面レンズによって十分に
集光できない状態でも、何ら特性に影響を与えないの
で、高価なセルフォックレンズなどを用いる必要もな
く、また光ファイバーとの微妙な調芯も必要でなくな
り、非常に簡単に、安価な半導体受光装置が得られる。When such an improved photodiode chip is used, even if the light beam cannot be sufficiently condensed by the spherical lens, the characteristics are not affected at all, so that there is no need to use an expensive selfoc lens or the like. Further, fine alignment with an optical fiber is not required, and a very simple and inexpensive semiconductor light receiving device can be obtained.
【００１６】図１の構成で、長波長帯（１．１μｍ〜
１．６μｍ）の光通信に使用される半導体受光装置を製
作した。フォトダイオードチップ１としては、ＩｎＰを
基板とし、ＩｎＧａＡｓのエピタキシャル層にＺｎ拡散
により１００μｍの受光領域のｐｎ接合を形成し、さら
に同じ方法で電荷捕獲領域を形成した電荷捕獲型フォト
ダイオードチップを用いる。もちろん、このチップ１に
は、ＳｉＮ膜による接合部分のパッシベーション、及び
受光部分及び電荷捕獲領域の全面に反射防止膜がそれぞ
れ形成されている。このチップ１をコバール製のヘッダ
ー２にＡｕＳｎを用いてボンディングし、３０μｍの金
線でリード３との電気的導通を取る。In the configuration shown in FIG. 1, a long wavelength band (1.1 μm to
A semiconductor light receiving device used for optical communication of 1.6 μm) was manufactured. As the photodiode chip 1, a charge trapping photodiode chip is used in which InP is used as a substrate, a pn junction of a light receiving region of 100 μm is formed in an InGaAs epitaxial layer by Zn diffusion, and a charge trapping region is formed by the same method. Of course, in the chip 1, an antireflection film is formed on the entire surface of the passivation of the bonding portion by the SiN film and the light receiving portion and the charge trapping region. The chip 1 is bonded to a header 2 made of Kovar using AuSn, and electrical conduction with the leads 3 is established with a 30 μm gold wire.
【００１７】次に、安価なボールレンズ１８を保持する
ためのレンズマウント１９を、図中のＡの部分でヘッダ
ー２にＹＡＧ溶接する。そして、戻り光を防止するため
に、端面を８度に斜めカットしたシングルモードファイ
バー６をフェルール７に固定し、これをステンレス製の
ハウジング８に固定したものを用意する。Next, a lens mount 19 for holding an inexpensive ball lens 18 is YAG-welded to the header 2 at a portion A in the figure. Then, in order to prevent return light, a single mode fiber 6 whose end face is obliquely cut at 8 degrees is fixed to a ferrule 7 and this is fixed to a stainless steel housing 8.
【００１８】次に光ファイバー６より１．３μｍのレー
ザ光をチップ１に照射し、光電流をモニターしながら、
ＹＡＧレーザ溶接機を用いて、図中のＢの部分で固定す
る。球面レンズであって集光度が緩やかであるため、短
時間（５〜１０分）で調芯、溶接でき、しかも、全体の
９０％が０．８５Ａ／Ｗの高い感度特性を示す。Next, the chip 1 is irradiated with a laser beam of 1.3 μm from the optical fiber 6, and while monitoring the photocurrent,
Using a YAG laser welding machine, fixation is made at the portion B in the figure. Since it is a spherical lens and has a low light-collecting power, alignment and welding can be performed in a short time (5 to 10 minutes), and 90% of the entire lens exhibits high sensitivity characteristics of 0.85 A / W.
【００１９】この半導体受光装置を用いて、デジタル通
信で１２５Ｍｂｐｓの光信号を受信しても、波形の歪み
や、時間的に波形の立ち上がりや立ち下がり部分がふら
つくジッターのような現象は全く観察されない。また、
４０チャンネルのアナログ画像伝送装置の受光部分にこ
の半導体受光装置を用いても、感度として０．８５Ａ／
Ｗは全く十分であり、かつ今まで高感度でもわずかの漏
れ光のため、位相のずれた信号で画面にちらつきが出て
いたものが、この半導体受光装置の採用により全く見ら
れなくなる。さらに反射防止を施された電荷捕獲領域
で、不要な光をすべて吸収するため、光通信のノイズと
なる反射光や散乱光を生じない。Even when an optical signal of 125 Mbps is received by digital communication using this semiconductor light receiving device, no distortion such as waveform distortion or a phenomenon in which the rising or falling portion of the waveform fluctuates with time is observed. . Also,
Even if this semiconductor light receiving device is used for a light receiving portion of a 40-channel analog image transmission device, a sensitivity of 0.85 A /
W is quite sufficient, and even if the sensitivity is high, the screen flickers due to a signal with a phase shift because of slight leakage light even with high sensitivity. Furthermore, since the unnecessary charge is absorbed in the charge trapping region which has been subjected to reflection prevention, reflected light or scattered light which is a noise in optical communication is not generated.
【００２０】図３は本発明の他の実施例を示すものであ
り、図１の実施例のキャップ２０Ｂとレンズ２０Ａの機
能を一体化した通常レンズキャップと呼ばれる部品２０
を用いて部品点数を少なくし、安価な半導体受光装置を
提供するものである。製造方法や各部の機能、発明の効
果は、図１の例と同じである。従来は、フォトダイオー
ドチップ１の周辺への漏れ光を生じさせないために、高
価な光学系を使っていたが、新しいフォトダイオードチ
ップ１を用いることにより、集光特性が完璧でなくても
安価なレンズを使うことができる。FIG. 3 shows another embodiment of the present invention, in which a component 20 called a normal lens cap which integrates the functions of the cap 20B and the lens 20A in the embodiment of FIG.
To provide an inexpensive semiconductor light receiving device with a reduced number of components. The manufacturing method, the function of each part, and the effects of the invention are the same as those in the example of FIG. Conventionally, an expensive optical system was used in order to prevent light leaking to the periphery of the photodiode chip 1. However, by using a new photodiode chip 1, an inexpensive light-collecting characteristic can be obtained even if the light-collecting characteristics are not perfect. You can use a lens.
【００２１】このように短時間で光ファバーとの実装が
できコストが下げられることや、多くの用途において波
形のふらつきや、ノイズがなくなることのため、本発明
の半導体受光装置は、今まで高価なために幅広い実用化
が遅れていた光による通信を一気に加速するものであ
る。また、本発明の他の実施例として、バタフライタイ
プのハウジングに適用しても同様の効果が得られる。The semiconductor light receiving device of the present invention has been expensive since the mounting to the optical fiber can be performed in such a short time, the cost can be reduced, and the waveform is not fluctuated and noise is eliminated in many applications. The purpose of this is to accelerate optical communication at a stretch, which has been delayed for widespread practical use. The same effects can be obtained by applying the present invention to a butterfly type housing as another embodiment of the present invention.
【００２２】[0022]
【発明の効果】以上の通り本発明では、フォトダイオー
ドチップには無効とすべきキャリアの捕獲構造が設けら
れているため、球面レンズを介在させることにより光フ
ァイバからの信号光をフォトダイオードチップに入射し
ても、信号の歪みなどを生じることがない。このよう
に、高価なレンズを用いないようにして、アナログ信号
光の再生には位相にずれた信号となり歪みレベルが高く
なってしまうとか、デジタル信号ではパルス波形の歪み
が出て、高速の通信ができないというような、従来の問
題点を解決した半導体受光装置を供給することが可能と
なるものである。As described above, in the present invention, since the photodiode chip is provided with a carrier trapping structure to be made invalid, the signal light from the optical fiber is transmitted to the photodiode chip by interposing a spherical lens. Even if it is incident, no signal distortion or the like occurs. In this way, by avoiding the use of expensive lenses, analog signal light is reproduced at a phase shifted from that of a signal, and the distortion level becomes high. It is possible to supply a semiconductor light receiving device that solves the conventional problem that the conventional light receiving device cannot be used.
【図１】第１実施例に係る半導体受光装置の全体構成を
示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating an overall configuration of a semiconductor light receiving device according to a first embodiment.
【図２】第１実施例の要部に係るフォトダイオードチッ
プと光ファイバーの関係を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a relationship between a photodiode chip and an optical fiber according to a main part of the first embodiment.
【図３】第２実施例に係る半導体受光装置の全体構成を
示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating an overall configuration of a semiconductor light receiving device according to a second embodiment.
【図４】従来例の全体構成図である。FIG. 4 is an overall configuration diagram of a conventional example.
【図５】従来例の全体構成図である。FIG. 5 is an overall configuration diagram of a conventional example.
【図６】従来例におけるフォトダイオードチップと光フ
ァイバーの関係図である。FIG. 6 is a diagram showing a relationship between a photodiode chip and an optical fiber in a conventional example.
１…フォトダイオードチップ、２…ヘッダー、３…リー
ド、４…キャップ、５…窓、６…光ファイバー、７…フ
ェルール、８…ハウジング、９…集光レンズ、１１…半
導体基板、１２…エピタキシャル成長層、１３…拡散領
域、１４，１５…電極、１７…拡散領域、１８…ボール
レンズ、１９…レンズマウント、２０…レンズキャッ
プ。DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Photodiode chip, 2 ... Header, 3 ... Lead, 4 ... Cap, 5 ... Window, 6 ... Optical fiber, 7 ... Ferrule, 8 ... Housing, 9 ... Condensing lens, 11 ... Semiconductor substrate, 12 ... Epitaxial growth layer, 13: diffusion region, 14, 15: electrode, 17: diffusion region, 18: ball lens, 19: lens mount, 20: lens cap.
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 31/00 - 31/20 G01J 1/02 Continuation of the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 31/00-31/20 G01J 1/02
Claims (1)
たヘッダーに、光ファイバーが挿通されたハウジングが
固定されることにより一体構造とされ、前記フォトダイ
オードチップの受光面が前記光ファイバーの光出射端面
と対向するように配置された半導体受光装置において、 前記フォトダイオードチップは光電流を検出信号として
出力するためのｐｎ接合領域を前記受光面に有すると共
に、前記ｐｎ接合領域の周囲で生成されるキャリアを捕
獲する領域を有し、 前記光ファイバの出射光は球面レンズを介して前記受光
面に入射されていることを特徴とする半導体受光装置。1. An integrated structure in which a housing in which an optical fiber is inserted is fixed to a header on which a photodiode chip is mounted, so that a light receiving surface of the photodiode chip faces a light emitting end surface of the optical fiber. Wherein the photodiode chip has a pn junction region for outputting a photocurrent as a detection signal on the light receiving surface, and captures carriers generated around the pn junction region. Wherein the outgoing light from the optical fiber is incident on the light receiving surface via a spherical lens.
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP01762092A JP3191823B2 (en) | 1992-02-03 | 1992-02-03 | Semiconductor light receiving device |
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